[发明专利]基于非平衡磁场的双通道连续磁控溅射镀膜设备

说明书

技术领域

本发明涉及国际分类C23C溅射法的一般镀覆技术及设备,尤其是基于非平衡磁场的双通道连续磁控溅射镀膜设备。

背景技术

目前，几乎任何材料都可以通过真空镀膜工艺涂覆到其他材料的表面上，这就为真空镀膜技术在各种工业领域中的应用开辟了更加广阔的前景。在材料表面上，镀上一层薄膜，就能使该种材料具有许多新的物理和化学性能。真空镀膜法是一种新的镀膜工艺，由于薄膜制备工艺是在真空条件下进行的，故称真空镀膜法。真空下制备薄膜，环境清洁，膜不易受污染，可获得致密性好、纯度高、膜厚均匀的涂层。膜与基体附着强度好，膜层牢固。真空离子镀的种类是多种多样的，由于不同类型的离子镀方法采用不同的真空镀，镀料气化采用不同的加热蒸发方式，蒸发粒子及反应气体采用不同的电离及激发方式等，具体可分为气体放电等离子体离子镀、射频放电离子镀、空心阴极放电离子镀、多孤离子镀，即阴极电弧离子镀。其中，磁控溅射离子镀是电子在电场有作用下加速飞向基体的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基体，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子或分沉积在基体上成膜；二次电子在加速飞向基体的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。溅射是热蒸发和弹性碰撞的综合过程。由于气体正离子轰击阴极靶，使靶表面受轰击的部位产生局部高温区，该区靶材达到了蒸发温度而产生蒸发，溅射速率是靶材升华热和轰击离子能量的函数，逸出的靶材原子将呈现正弦分布。当气体正离子轰击阴极靶时，直接将其能量传给靶表面上某个原子或分子，使该原子或分子脱离附近其它原子或分子的束缚而从靶表面弹射出来。如果轰击离子的能量不足，则只能发生振动而不产生溅射。如果轰击离子能量很高时，轰击离子能量过高而发生离子注入现象。对于一般的溅射装置，溅射镀膜的形成是利用真空辉光放电，加速正离子使其轰击靶材表面而引起的溅射现象，使靶材表面放出的粒子沉积到基体上而形成薄膜的。当离子轰击固体表面时会产生许多效应，除了靶材的中性粒子,即原子和分子,最终沉积成膜之外，其它效应对薄膜的生长也会产生很大的影响。

磁控溅射就是在普通的阴极溅射基础上加上相互正交的磁场和电场中，利用磁场的约束来改变电子在气体放电中的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，从而极大地提高电子对工作气体分子或原子的碰撞电离几率及更充分的利用电子的能量。因此使气体正离子对靶材的轰击所引起的靶原子的溅射更有效。同时，受到正交电磁场束缚的电子只有在其能量耗尽是才能脱离靶表面附近。这样沉积到基体上的电子传给基体的能量很小，使基体的温升较慢而且低。

目前所用的磁控溅射技术及其生产设备多采用平衡式的磁产布置形式，薄膜沉积时一般要求基体需加温到150℃以上，限制了有些不耐高温的基材的应用；沉积速率不是很高； 界面附着强度波动性较大，对于界面附着强度要求很高的时候，需特别高的沉积环境温度；对膜的性质如高密度，针孔少，膜层较均匀等的要求沉积时，技术难度较大，工艺调控范围窄，有的时候很难实现；对复杂表面的镀敷能力难以满足；对被沉积的基体的运动限制过多；沉积的靶材利用率较低，使磁控溅射的经济效益难以得到进一步的提高；受到多种条件的制约，现在的磁控溅射生产线都是单通道的形式，不能实现同时在不同的表面上沉积不同要求的薄膜；现在通用的磁控溅射技术，一般只能沉积很薄的薄膜，因而应用领域受到一定的限制；还不可避免出现背散射现象；大面积沉积时，薄膜的均匀性寿诞一定影响，特别是在基体的边缘部，会出现薄膜厚度变化很大的情况；成膜速度比蒸发镀膜低。例如，中国专利申请公开文献中：

申请号88216657一种磁控溅射镀膜机，它采用了与蚀刻区形状相一致的靶面及用压条镶嵌的靶面安装形式；

该类磁控溅射镀膜，磁体的布局直接影响溅射靶的刻蚀均匀程度和沉积膜厚均匀性，由于其采用平衡式的磁产布置形式，平衡式的磁场分布造成不均匀的等离子密度，导致靶原子的不均匀溅射和不均匀的沉积，因此，存在着膜厚不均匀的问题，由于溅射靶的不均匀溅射和基体的运动方式决定了薄膜沉积的不均匀性，同时，由于磁控溅射装置中存在着诸如电场、磁场、气氛、靶材、基体温度及速度、几何结构等参数间的相互影响，并且综合地决定溅射薄膜的特性，因此在不同的溅射装置上，或制备不同的薄膜时，应该对溅射工艺参数进行试验选择为宜。